南疆绿洲-荒漠过渡带“肥岛”的养分特征分析

查向浩，林 宁，王 晶，张文河，李有文*

(1.喀什大学 化学与环境科学学院，新疆 喀什 844000；2. 新疆生物类固废资源化工程技术研究中心，新疆 喀什 844000)



南疆绿洲-荒漠过渡带“肥岛”的养分特征分析

查向浩1，2，林 宁1，王 晶1，张文河1，李有文1，2*

(1.喀什大学 化学与环境科学学院，新疆 喀什 844000；2. 新疆生物类固废资源化工程技术研究中心，新疆 喀什 844000)

【目的】为了分析和检验塔克拉玛干沙漠边缘绿洲-荒漠中灌木“肥岛”效应对荒漠土壤肥力的作用强度。【方法】采用野外取样和室内实验分析相结合的方法，测定了胡杨(Populoseuphraticu)灌丛林及周边过渡带中不同深度土壤养分含量；通过计算富集率和构建土壤肥力指数模型评价南疆绿洲-荒漠过渡带的土壤肥力水平。【结果】过渡带和灌丛下的土壤pH均呈碱性，且随土壤深度增加碱性增强；土壤中全N、全P、全K和速效N、速效P、速效K含量都随着土壤深度的增加而降低。富集率表明，在胡杨灌丛，土壤OM、全N、全P、全K、和速效养分含量都表现为EB>1，且EB在垂直剖面上呈现先增大后减小的趋势，在20～40 cm深度土壤聚集效果最为显著，其中有机质、全K、速效N、速效K富集率相对较大。SFI模型标明，绿洲-荒漠过渡带灌丛下的土壤肥力状况明显高于灌丛间过渡带。【结论】胡杨灌丛下存在典型的灌丛“肥岛”现象，灌木的长期生长能够增强土壤空间异质性的作用，改善灌丛下土壤养分结构和肥力水平，使土壤沙化程度得以缓解。

绿洲荒漠过渡带；胡杨；养分；主成分分析；土壤肥力

【研究意义】目前，土壤荒漠化速度呈现加快上升的趋势，新疆土地面积166.498km2，其中荒漠化面积占新疆总面积的 66.74 %，成为中国土地荒漠化面积最大的省区[1-2]。胡杨(Populoseuphraticu)早在几百年前就作为典型荒漠树种，具有耐寒、耐贫瘠的特性，加之有较强的固沙和抗逆性，成为沙地和沙漠的重要组成部分[3-4]。【前人研究进展】研究表明，荒漠植被灌丛下土壤养分效应会促使 “肥岛”效应的形成，使土壤-植被形成的生物循环系统过程主要集中在荒漠肥岛范围内，进而改善土壤理化环境，遏制土壤荒漠化速度，因此，肥岛灌木的发展通常被认为是荒漠草原或稀树生态系统发展的机制[5]。与此同时，荒漠中“肥岛”效应的形成在一定程度上抑制了土壤的物理性状[6-7]。【本研究切入点】本研究以塔克拉玛干沙漠西缘胡杨林及周边过渡带作为研究对象，测定不同深度土壤养分含量；通过计算富集率和构建土壤肥力指数评价南疆绿洲-荒漠过渡带的土壤肥力水平。【拟解决的关键问题】旨在分析和检验绿洲-荒漠中灌木“肥岛”效应对荒漠土壤中土壤肥力的作用强度，以期为南疆干旱区荒漠生态重建与环境保护提供可靠数据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 区域概况

研究区域(地理坐标：N 35°17′13′′～39°30′09′′，E 80°14′11′′～86°01′07′′)位于新疆塔克拉玛干沙漠西缘的胡杨灌木林，以胡杨林绿洲-荒漠过渡带为中心设置1条环状样带作为研究区域。胡杨灌木种植区域气候极端干旱且风沙极大，年均降水量33.5 mm，年均蒸发量2595.3 mm，年平均风速1.9 m/s，最大可达12.1 m/s，年平均气温11.9 ℃，极端最高气温达到41.9 ℃，无霜期160～170 d。

1.2 土样样品采集

选取胡杨长势一致、树龄相似的树体，按照等比例的随机抽样方法选取4个相对独立的灌丛区域，在每个区域内设置大小相等的100 cm×100 cm典型样地，进行土壤样品采集。采样前先将样地地表的枯枝落叶清扫干净，用铁锨垂直于地面挖一个深度为60 cm的完整剖面，将剖面表层土壤用木铲清除，自上而下采集1 kg土样，将采样点土壤样品碾碎并混合均匀，装入干净的布袋内，用标签标记，在通风、无污染的环境下自然风干，进行碾碎并过筛处理后，存放在干净的自封袋内备用。

1.3 养分测定[8]

土壤有机质含量测定采用重铬酸钾氧化容量法(油浴外加热)；全氮含量测定采用凯氏定氮法(H2SO4-HClO4消煮)；全磷含量测定采用钼锑抗比色法(H2SO4-HClO4消煮)；全钾含量测定采用火焰光度法(H2SO4-HClO4消煮)；碱解氮含量测定采用碱解扩散法(FeSO4滴定)；有效磷含量测定采用钼锑抗比色法(NaHCO3浸提)；速效钾含量测定采用火焰光度计法(NH4Ac浸提)。

1.4 数据分析

式中：SFI为土壤肥力指数；P为λ>1的特征值或与之对应的特征向量；λi为λ>1的第i个特征值；Fi为λ>1的第i个特征值对应的特征向量与土壤养分含量指标变量的线性组合(即第i个主成分)。

统计分析采用SPSS 21.0软件；数据整理、计算采用Microsoft Excel 2003软件。

2 结果与分析

2.1 土壤养分分析

表1显示，灌丛区域不同层次土壤中的养分含量明显高于灌丛间过渡带，特别是0～20 cm土层中土壤养分含量明显高于下层土壤。经过长期的养分积累，灌丛下土壤养分含量远远高于灌丛间过渡带含量。过渡带和灌丛下的土壤pH均呈碱性，且随深度增加碱性增强，这是干旱地区普遍存在的问题[11]。无论是过渡带还是灌丛下，土壤中全量以及能被植物吸收的速效养分含量都随着土壤深度的增加而降低。

表1 不同深度土壤养分含量

表2 胡杨灌丛下不同深度土壤养分的富集率(EB=B/C)

注：E代表富集率；B代表灌木下的养分含量；C代表灌木过渡带的养分含量。

Notes:E=enrichment ratio;B=soil nutrient cotent under shrubs;C=soil nutrient content of the shrub ecotone.

表3 特征向量

2.2 灌丛内土壤养分富集率

为了研究胡杨灌木林对土壤养分的“肥岛”作用，对土壤养分的富集程度进行了分析。由表2可以看出，在胡杨灌丛下表现出不同程度的养分含量富集，其中在0～60 cm深度时，土壤中OM和全N、全P、全K以及能够被植物生长所吸收的速效养分N、P、K都出现一定程度的向灌丛下聚集的现象(EB>1)，表现出一种“肥岛”特征。

从土壤垂直剖面上看，总体上土壤养分在20～40 cm深度时，富集程度最为明显；然而随着深度的增加富集率反而呈现降低的趋势。

2.3 灌丛内土壤肥力水平

运用主成分分析对胡杨灌木区域土样养分含量进行降维分析得知，前4个主成分的特征值>1，且方差累积贡献率达到85.8 %。根据特征向量可以看出，第一主成分主要反映的是土壤中全P、有效P养分指标的信息；第二主成分主要反映的是土壤中全K、速效K养分指标的信息；第三主成分主要反映的是土壤中有机质、全N养分指标的信息；第四主成分主要反映的是土壤中速效N养分指标的信息。

由上述4个主成分构建的SFI评价模型为：SFI=0.121OM+0.016TN+0.01TP+0.090TK+0.107AN+0.033AP+0.217AK。根据绿洲-荒漠过渡带土壤养分指标值所计算得出的SFI模型可以看出，灌丛下的土壤肥力水平明显高于灌丛间土壤肥力水平。

3 讨 论

在塔克拉玛干沙漠西缘胡杨灌丛林及周边过渡带上，土壤有机质、全量及植物生长所需的速效养分的含量及肥力状况均表现出了明显的差异，这与相关研究具有一致性[12]。胡杨灌丛富集率在垂直垂直剖面上呈现先增大后减小的趋势，在20～40 cm深度中土壤聚集效果最为显著。其中有机质、全K、速效K、速效N富集率相对较大，同时也是反映土壤肥力水平的重要养分指标[13]。胡杨灌丛下存在典型的灌丛“肥岛”现象，能够改善灌丛下土壤养分结构和肥力水平，使土壤沙化程度得以缓解。此外，人类活动、气候等因素同样会影响“肥岛”现象的形成[14]。

绿洲-荒漠过渡带灌丛下的土壤肥力状况明显高于灌丛间，表现出荒漠地区典型的“肥岛”特征。灌丛下比灌丛间肥力水平高，说明动、植物的生理活动随着时间的推移，可以影响土壤结构，进而改善土壤肥力水平[15]，这与前人研究结果具有一致性。有研究表明，土壤中能被植物吸收的速效养分和微量元素呈上升趋势，其关键在于较多的枯落物覆盖，风力作用较小时，有机物和养分含量迅速增高[16-17]。灌木的长期生长在吸收养分的同时还会起到调整土壤空间异质性的作用，对防止土壤沙化起到预防作用，而灌丛裸地间的土壤则会因缺乏水分和微生物的作用而遭到侵蚀，这种环境和生物的双重作用导致“肥岛”现象的产生，使裸地间土壤退化[18]。其他植物对改善荒漠地区土壤的作用还有待进一步研究。

4 结 论

南疆绿洲-荒漠灌丛间过渡带不同层次土壤养分含量明显低于灌丛区域；过渡带和灌丛下的土壤pH均呈碱性，且随深度增加碱性增强；土壤中全量和速效养分含量都随着土壤深度的增加而降低。富集率表明，在胡杨灌丛，土壤中OM和全N、全P、全K以及速效N、P、K含量都表现为EB>1，且EB在垂直剖面上呈现先增大后减小的趋势，在20～40 cm深度中土壤聚集效果最为显著，其中有机质、全K、速效K、速效N富集率相对较大。根据SFI模型，绿洲-荒漠过渡带灌丛下的土壤肥力状况明显高于灌丛间过渡带。

胡杨灌丛下存在典型的灌丛“肥岛”现象，灌木的长期生长能够增强土壤空间异质性的作用，改善灌丛下土壤养分结构和肥力水平，使土壤沙化程度得以缓解。

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(责任编辑 李 洁)

Analysis on Nutrient Characteristics of ‘Fertile Island’on Shrubs at Oasis-desert Ecotone in South of Xinjiang

ZHA Xiang-hao1，2，LIN Ning1，WANG Jing1, ZHANG Wen-he1, LI You-wen1，2*

(1.College of Chemistry and Environmental Science, Kashgar University，Xinjiang Kashgar 844000，China；2.Xinjiang Biomass Solid Waste Reclamation Technology and Engineering Center，Xinjiang Kashgar 844000，China)

【Objective】IThe study aims to analyze and test the effect of shrub ‘fat island’ on desert soil fertility in the oasis desert in the edge of Taklimakan Desert. 【Method】The method combining field sampling and laboratory analysis was adopted, The soil nutrient contents in different depths of Populus euphratica shrub forest and its transition zone were measured, The soil fertility level of oasis-desert ecotone in South Xinjiang was evaluated by calculating enrichment rate and constructing soil fertility index model. 【Result】The soil pH in the ecotone and shrub were alkaline, which increased with soil depth; The contents of total N, total P, total K and available N, available P, available K in soil decreased with the increase of soil depth. The enrichment rate showed that the contents of OM, total N, total P, total K and available nutrient in soil wereEB> 1 in Populus euphratica shrub, andEBincreased first and then decreased in vertical section, At 20-40 cm depth, soil accumulation was most significant, in which organic matter, total K, available N and available K enrichment were relatively large. The SFI model shows that the soil fertility under shrub was obviously higher than that in the oasis-desert ecotone. 【Conclusion】There was a typical shrub ‘fertile island’ phenomenon under the Populus euphratica shrub, long-term growth of shrubs can enhance the spatial heterogeneity of soil, and improve the nutrient structure and fertility level of soil under the shrubs, The soil desertification can be alleviated.

Osis-desert ecotone; Populus cuphration; Nutrition; Principal component analysis; Soil fertility

1001-4829(2017)7-1625-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.7.027

2016-08-23

新疆维吾尔自治区高校科研计划青年教师科研启动基金(XJEDU2013S37)

查向浩(1981-)，男，河南省长葛市人，讲师，研究方向为干旱区生态过程与可持续性，E-mail：zhaxianghao@163.com；*为通讯作者：李有文(1987-)，甘肃景泰人，研究方向为城市生态与土壤污染与及修复，Email：125864826@qq.com。

S156.5

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